1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине

1.1. Вид деятельности выпускника

Дисциплина охватывает круг вопросов относящихся к виду деятельности выпускника:

– проектно-конструкторская;

– научно-исследовательская;

– монтажно-наладочная;

– сервисно-эксплуатационная.

1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника

В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС задачи профессиональной деятельности выпускника.

Проектно-конструкторская деятельность:

– сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования деталей, узлов и устройств радиотехнических систем;

– расчет и проектирование деталей, узлов и устройств радиотехнических систем в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования.

Научно-исследовательская деятельность:

– анализ научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по тематике исследования;

– участие в планировании и проведении экспериментов по заданной методике, обработка результатов с применением современных информационных технологий и технических средств;

– составление обзоров и отчетов по результатам проводимых исследований.

Монтажно-наладочная деятельность:

– участие в поверке, наладке, регулировке и оценке состояния оборудования и настройке программных средств, используемых для разработки, производства и настройки радиотехнических устройств и систем;

– участие в монтаже, наладке, испытаниях и сдаче в эксплуатацию опытных образцов деталей, узлов, систем и изделий радиотехнических устройств и систем.

Сервисно-эксплуатационная деятельность:

– эксплуатация и техническое обслуживание радиоэлектронных средств;

– ремонт и настройка радиотехнических устройств различного назначения;

– участие в составлении заявок на необходимое техническое оборудование и запасные части, подготовка технической документации на ремонт;

– составление инструкций по эксплуатации технического оборудования и программного обеспечения.

1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие компетенции:

– обладать готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);

– владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4);

– обладать способностью осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования деталей, узлов и устройств радиотехнических систем(ПК-9);

– обладать готовностью выполнять расчет и проектирование деталей, узлов и устройств радиотехнических систем в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10);

– обладать способностью разрабатывать проектную и техническую документацию, оформлять законченные проектно-конструкторские работы (ПК-11);

– обладать готовностью осуществлять контроль соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, техническим условиям и требованиям (ПК-12);

– обладать готовностью организовывать метрологическое обеспечение производства (ПК-16);

– обладать способностью проводить поверку, наладку и регулировку оборудования и настройку программных средств, используемых для разработки, производства и настройки радиотехнических устройств и систем (ПК-27);

– обладать способностью владеть правилами и методами монтажа, настройки и регулировки узлов радиотехнических устройств и систем (ПК-28).

1.4. Перечень умений и знаний, установленных ФГОС После освоения программы настоящей дисциплины студент должен знать:

– основные типы активных приборов, их модели и способы их количественного описания при использовании радиотехнических цепях и устройствах;

– методы анализа цепей постоянного и переменного тока во временной и частотной областях;

– основы схемотехники и элементную базу аналоговых электронных устройств;

– принципы построения и работы устройств усиления и преобразования аналоговых сигналов, о сновные аспекты, проблемы и методы проектирования, разработки этих устройств и их примен ения в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения.

После освоения программы настоящей дисциплины студент должен уметь:

– осуществлять анализ и синтез структурных и принципиальных электрических схем аналоговых электронных устройств;

– применять компьютерные системы и пакеты прикладных программ для проектирования и исследования радиотехнических устройств.

После освоения программы настоящей дисциплины студент должен владеть:

– моделями используемых в радиотехнике активных приборов, а также методами анализа электрических цепей в стационарном и переходном режимах;

– методами расчета типовых аналоговых устройств и методами оптимизации параметров и схем таких устройств.

2. Цели и задачи освоения программы дисциплины Целью преподавания дисциплины является изучение принципов, методов и средств создания схем аналоговой обработки электрических сигналов.

Задачи дисциплины: научить студентов принципам, методам и средствам создания схем аналоговой обработки электрических сигналов различного назначения; дать навыки анализа существующих и проектирования новых схем; обеспечить понимание работы электронных схем.

3. Место дисциплины в структуре ООП Для изучения дисциплины, необходимо освоения содержания дисциплин: «Математика», «Физика», «Физические основы электроники», «Электроника».

Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания дисциплины, будут использоваться в дисциплинах: «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Устройства генерирования и формирования сигналов», «Основы телевидения и видеотехники», «Устройства приема и обработки сигналов».

4. Основная структура дисциплины Вид учебной работы Трудоемкость, часов Всего Семестр № Общая трудоемкость дисциплины 144 Аудиторные занятия, в том числе: 68 лекции 34 лабораторные работы 17 практические занятия 17 Самостоятельная работа (в том числе курсовое проектиро- 49 вание) Вид промежуточной аттестации (итогового контроля по Дифференциро- Дифференциродисциплине), в том числе курсовое проектирование ванный зачет по ванный зачет по курсовому проек- курсовому проектированию, тированию, экзамен экзамен 5. Содержание дисциплины 5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины Введение. Общие сведения об аналоговых электронных устройствах (АЭУ) и изучаемой дисциплине.

Параметры и характеристики АЭУ. Принципы построения и работы простейших усилительных звеньев. Принципы и схемы обеспечения исходного режима работы усилительного звена на постоянном токе. Анализ работы типовых усилительных звеньев в режиме малого сигнала. Усилители мощности.

Многокаскадные усилители. Обратные связи в трактах усиления. Базовые схемные конфигурации аналоговых микросхем и усилителей постоянного тока. Широкополосные усилители и усилители импульсных сигналов малой длительности. Усилительные и функциональные устройства на операционных усилителях. Усилители высокой чувствительности. Современные методы схемной реализации аналоговых преобразований. Заключение.

5.2. Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины 5.2.1. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств (АЭУ) Схемотехника – принципы и методы синтеза и реализации схем радиоэлектронных устройств, обеспечивающие их оптимальные характеристики на основе использования физических свойств и технических возможностей разнообразных электронных приборов и электрорадиокомпонентов.

Аналоговые и цифровые устройства и сигналы.

Аналоговые устройства: усилители, частотные фильтры, генераторы, выпрямители, ограничители, компараторы, фазовые корректоры и др.

Линейные и нелинейные устройства.

Классификация, основные параметры и характеристики усилителей Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причм мощность, требующаяся для управления, меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного и выходного сигналов совпадают. Форма управляющей и управляемой энергии может быть различной – электрической, механической, световой, магнитной и др. Усилитель, в котором и управляющая, и управляемая энергия является электрической, называется усилителем электрических сигналов.

Усиление осуществляется при помощи усилительного элемента – устройства, обладающего управляющими свойствами (БПТ, ПТ, электронные лампы, СВЧ-диоды и др.) – номинальные значения амплитуды тока, напряже- – энергетические – номинальные значения амплитуды тока, напряже- – ремонтопригодности ния и мощности выходного сигнала – массогабаритные – входное сопротивление – выходное сопротивление – коэффициент усиления (по току, по напряжению, по мощности) – частотные характеристики и линейные искажения – переходная характеристика – амплитудная характеристика и нелинейные искажения – динамический диапазон – уровень собственных шумов Коэффициент усиления Выше рассмотрены модули коэффициентов по току и напряжению; в общем случае эти величины комплексные, например где – сдвиг фаз между входным и выходным напряжением.

Входное сопротивление или в комплексном виде Выходное сопротивление где и – приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Выходное сопротивление в общем случае, также как и входное, является комплексной величиной.

где – мощность, потребляемая от источника питания.

Коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ) = 20 lg Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов.

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент равен:

или Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока).

2-3 – линейный рабочий участок Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник):

где – амплитуда 1-й (основной) гармоники выходного сигнала;, …, – амплитуды высших гармоник выходного сигнала.

Величина называется входным динамическим диапазоном усилителя (он Если коэффициент усиления усилителя постоянный, то, если же коэффициент усиления зависит от входного сигнала, то (например, при использовании АРУ Нелинейные искажения сигналов вследствие нелинейности входной характеристики транзистора Нелинейные искажения сигналов вследствие непостоянства коэффициента усиления тока транзистора АФЧХ – линия, образованная концом вектора на комплексной плоскости при изменении частоты от 0 до. АФЧХ называют также годографом коэффициента усиления.

Коэффициент частотных искажений, где – модуль коэффициента усиления на средней частоте – модуль коэффициента усиления на заданной частоте – коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте – коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте Если построить график АЧХ в логарифмическом масштабе, то такая характеристика называется ЛАЧХ (причм в логарифмическом масштабе можно построить одну или обе оси).

и выходным сигналом в зависимости от частоты).

Если ось частот построить в логарифмическом масштабе, то такая характеристика будет называться ЛФЧХ.

Фазовые искажения меняют форму сигнала. Для звуковых сигналов фазовые искажения не приводят к потере или искажению информации, т.к. слух человека не реагирует на изменение фазовых соотношений между гармоническими составляющими сложного сигнала в широком диапазоне интенсивностей звука. Однако фазовые искажения следует учитывать в измерительных усилителях (если они используются в фазометрических системах), в усилителях видеосигналов и других случаях.

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала от времени при скачкообразном входном воздействии.

Переходная характеристика применяется для оценки качества усилителя импульсных сигналов.

– выброс фронта, – спад вершины, – длительность фронта, – время задержки.

Следует отметить, что АЧХ, ФЧХ и переходная характеристика однозначно связаны друг с другом.

5.2.2. Принципы усиления сигналов и построения усилителей Обратная связь – это процесс передачи выходного сигнала (или его части) обратно на вход устройства. Обратная связь бывает положительной и отрицательной. При ПОС выходной сигнал (или его часть) складывается с входным сигналом, а при ООС – вычитается.

Применение ОС ООС уменьшает коэффициент усиления, однако улучшает различные другие параметры усиления: повышает линейность, улучшает АЧХ. В 1928 г. изобретатель Гарольд Блэк получил отрицательный отзыв при попытке запатентовать ООС: «К нашему изобретению отнеслись так же, как к вечному двигателю», – писал изобретатель позже.

1) последовательная ОС по напряжению 2) параллельная ОС по напряжению самого усилительного элемента.

3) последовательная ОС по току 4) параллельная ОС по току –коэффициент прямой передачи (коэффициент усиления усилителя без ОС) – коэффициент передачи цепи ОС Анализ влияния ООС на примере последовательной ОС по напряжению 1) Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС Комплексный коэффициент прямой передачи равен а комплексный коэффициент ОС Коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС Тогда Таким образом, Величину называют глубиной ОС, а величину – петлевым усилением. Если глубина ОС Т.е. при глубокой ОС коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, зависит только от свойств цепи ОС и не зависит от свойств цепи прямой передачи. Обычно коэффициент усиления цепи прямой передачи нестабилен, поэтому введение ОС в усилитель стабилизирует его коэффициент усиления.

Частотные характеристики прямой цепи и цепи ОС однозначно определяют частотные характеристики усилителя, охваченного ОС. Сама ОС может быть частотно-зависимой или частотнонезависимой.

Для оценки влияния ООС на частотные характеристики предположим, что коэффициент усиления цепи прямой передачи меняется от 10000 до 1000 (т.е. на 90%), а коэффициент передачи цепи ОС постоянен и равен 0,1. В этом случае, после введения ОС, коэффициент усиления будет меняться от до (примерно на 1%). Становится очевидным, что введение ОС существенно снизило неравномерность АЧХ, хотя одновременно снизился и коэффициент усиления. Если требуется большой коэффициент усиления, то можно увеличить число каскадов, но и в этом случае ОС улучшает стабильность коэффициента. Действительно, если соединить четыре вышерассмотренных каскада, охваченных ОС, то получится, что общий коэффициент усиления может меняться от 9,994 до 9,94, т.е. от 9960 до 9606 (изменение составляет 3,6 %, что значительно меньше 90% для одного каскада с большим коэффициентом усиления).

2) Входное сопротивление усилителя, охваченного ОС Рассмотрим последовательную ООС по напряжению Входное комплексное сопротивление цепи прямой передачи Найдм входное комплексное сопротивление усилителя, охваченного ОС Если и вещественны, тогда Таким образом, последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление.

3) Выходное сопротивление усилителя, охваченного ОС Рассмотрим последовательную ООС по напряжению По определению При этом предполагается, что ОС отключена, и = const; изменение же величин и обусловлено изменением сопротивления нагрузки.

Также по определению но теперь предполагается, что ОС действует, и = const. В этом случае обусловлено не только падением напряжения на выходном сопротивлении, но и появлением приращения.

Следовательно, Знаки «–» указывают на то, что и увеличение и увеличение вызывают уменьшение.

Тогда Если и вещественны, то Таким образом, последовательная ООС по напряжению уменьшает входное сопротивление.

Обобщим полученные результаты.

Отметим, что выражение для коэффициента усиления усилителя с ООС полученное выше для последовательной ОС по напряжению, справедливо для всех видов ОС.

Характер изменения определяется только способом введения связи во входную цепь и не зависит от способа снятия ОС с цепи выхода, т.е. выражение справедливо и для последовательной ОС по напряжению, и для последовательной ОС по току.

Для параллельной ОС (и по току, и по напряжению) Т.е. при параллельной ООС входная цепь усилителя шунтируется уменьшенным в раз сопротивлением ОС, что обычно уменьшает входное сопротивление устройства, охваченного параллельной ОС.

Характер изменения выходного сопротивления определяется способом снятия связи с выходной цепи и не зависит от способа е введения в цепь входа. Для ОС по напряжению (как было показано выше) Для ОС по току где – коэффициент передачи входной цепи, и – напряжение ОС и входное напряжение при КЗ выходной цепи.

При использовании ООС для уменьшения коэффициента гармоник, снижения нестабильности усиления и улучшения иных параметров с е помощью можно изменить как входное, так и выходное сопротивление устройства в нужную сторону, для чего достаточно применить соответствующий способ е введения и снятия. Если изменение входного или выходного сопротивления при простейших способах введения и снятия оказывается слишком большим, а также в случаях, когда эти сопротивления желательно оставить неизменными, используют комбинированную по входу или по выходу ОС.

Последовательную ООС широко применяют для увеличения входного сопротивления, а так же для уменьшения их входной мкости; для этой цели входной каскад усилителя нередко выполняют в виде эмиттерного повторителя, являющегося каскадом с глубокой последовательной ООС.

На свойстве ООС по напряжению уменьшать выходное сопротивление основано е использование в устройствах, работающих на нагрузку, меняющуюся в широких пределах – усилителях, работающих на трансляционную сеть, измерительных генераторах и т.п.

Обобщим полученные результаты.

Обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, а обратная связь по току – увеличивает. Параллельная ОС уменьшает входное сопротивление, а последовательная – увеличивает.

Ранее для последовательной ООС по напряжению было получено выражение Если окажется, что на некоторой частоте аргумент комплексной величины окажется равен, то это будет означать, что напряжение ОС по фазе совпадает с напряжением и.

Фактически ООС станет положительной. Если при этом окажется, что, то сигнал, проходящий через цепь прямой передачи и обратной связи усиливается. Тогда даже в случае нулевого напряжения и и окажутся ненулевыми. Усилитель превратится в генератор.

Этот эффект называют самовозбуждением; такой режим работы называется неустойчивым. Для предотвращения самовозбуждения необходимо выполнение одного из следующих условий (они равноценны):

или Практически обычно пользуются вторым условием.

Запасом устойчивости по фазе называют угол, обычно он должен быть не меньше 30о.

Для оценки устойчивости существуют различные методы. В качестве примера приведм один – частотный критерий Найквиста. Для оценки устойчивости строят годограф петлевого усиления (линию, описываемую на комплексной плоскости концом вектора при изменении частоты от 0 до ) Если годограф охватывает точку (–1; j0), то усилитель будет неустойчивым (рис. г); если годограф проходит через точку (–1; j0), то усилитель будет на границы устойчивости (рис. в); если годограф не проходит через точку (–1; j0), то усилитель будет устойчивым (рис. а, б). При этом возможны два варианта: на рис. а приведн годограф петлевого усиления абсолютно устойчивого усилителя, а на рис.

б приведт годограф условно устойчивого усилителя. На практике усилитель должен быть абсолютно устойчивым, т.к. нестабильность параметров элементов усилителя, нестабильность источников питания, влияние температуры могут перевести условно устойчивый усилитель или усилитель, находящийся на границе устойчивости, в неустойчивое состояние.

Для гарантированной устойчивости усилителя следует создавать запас устойчивости, т.е. возможность увеличения коэффициента усиления и фазового сдвига до перехода усилителя в неустойчивое состояние.

Запасом устойчивости системы по амплитуде называется величина, показывающая во сколько раз можно увеличить коэффициент усиления, чтобы система ещ оставалась устойчивой. Запас системы по амплитуде можно определить по АФЧХ разомкнутой системы, т.е. по годографу петлевого усиления (см. рис).

Запасом устойчивости системы по фазе называется угол, на который нужно повернуть вектор ОС (по рис.), чтобы он совпал с отрицательным направлением оси +1..

Рассмотрим делитель напряжения, где – постоянный резистор, а – переменный.

Если в качестве использовать обычный переменный резистор, то такая схема будет преобразовывать механическую энергию в электрическую, при этом, если энергия источника питания будет значительной, то и выходная энергия окажется большей, чем механическая энергия, затраченная на управление (поворот движка транзистора).

Если же в качестве использовать некий элемент, способный изменять электрическое сопротивление под действием сравнительно небольшого электрического напряжения или тока, то исследуемая схема превратится в усилитель электрических сигналов.

Обобщнная структурная схема усилителя электрических сигналов Входное устройство предназначено для передачи сигнала от источника во входную цепь первого усилительного элемента; входное устройство применяют, когда непосредственное подключение источника ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Входным устройством может быть согласующий трансформатор (для согласования сопротивлений), симметрирующий трансформатор (для симметрирования входа), разделительный конденсатор (для предотвращения попадания постоянной составляющей от источника сигнала на вход усилительного элемента или наоборот, от входа усилительного элемента в источник сигнала) и другие устройства. Если источник сигнала можно включить непосредственно во входную цепь усилителя, то входное устройство не применяют.

Предварительный усилитель предназначен для усиления напряжения, тока и мощности до величины, необходимой для подачи на вход усилителя мощности. Предварительный усилитель может содержать несколько каскадов, их называют каскадами предварительного усиления. Если источник сигнала обеспечивает уровни напряжения, тока и мощности, необходимые для работы усилителя мощности, то предварительный усилитель не применяется.

Усилитель мощности предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала.

УМ также может содержать несколько каскадов (обычно не более 3). Если нагрузка потребляет малую мощность, то УМ может не потребоваться, в этом случае нагрузка подключается к выходу предварительного усилителя.

Выходное устройство предназначено для передачи усиленного сигнала из выходной цепи последнего усилительного элемента в нагрузку и применяется тогда, когда непосредственное подключение нагрузки к выходной цепи невозможно или нецелесообразно. Выходным устройством может быть трансформатор (согласующий или симметрирующий), разделительный конденсатор и другие элементы.

Эмиттерные усилительные каскады на БПТ. Схемы цепей питания и стабилизации Повторить устройство БПТ.

Основные параметры четырхполюсников (повторение) 1) A – форма 3) B – форма При анализе транзисторных схем обычно используют системы H- и Y- параметров.

Для H-параметров:

Для Y-параметров Составные транзисторы представляют собой специальным образом соединнные транзисторы.

Полученный трхполюсник обладает свойствами транзистора. Если соединены транзисторы одного типа (БПТ и ПТ), то такой СТ называют просто составным, если соединены транзисторы разных типов, то такой СТ называют гибридным. СТ может быть выполнен как на транзисторах одной проводимости, так и на транзисторах разной проводимости; в последнем случае полученный СТ иногда называют комплементарным.

Для получения СТ соединяют не более трх дискретных транзисторов и не более двух транзисторов в интегральном исполнении, т.к. при большем их количестве либо последний транзистор окажется в перегруженном режиме, либо первый в недогруженном. В первом случае схема выйдет из строя или просто войдет в насыщение, а во втором будет велика зависимость параметров от температуры.

Для компенсации этого недостатка применяют схему Дарлингтона с повышенным быстродействием.

Резистор R предотвращает смещение VT2 в область проводимости за счт токов утечки. Сопротивление R выбирают так, несколько сотен Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько килоом в малосигнальном транзисторе.

Выпускаются готовые модули транзистора Дарлингтона с коэффициентом передачи тока до 4000 (типовое значение) и током коллектора VT2 до 10 А.

Комплементарный транзистор Дарлингтона (схема Шиклаи) Схема ведт себя как n-p-n – транзистор с большим коэффициентом усиления тока. Между базой и эмиттером транзистора VT2 рекомендуется включать резистор с небольшим сопротивлением (для повышения коллекторного тока VT1, иначе он схемы). Схему часто применяют в мощных двухтактных выходных каскадах с использованием выходных транзисторов Если взять транзистор обратной полярности, то получится СТ, обладающий свойствами мощного транзистора p-n-p типа.

каскадах. Такой СТ может быть выполнен как на однополярных транзисторах, так и на разнополярных. Схема на СТ вида ОЭ – ОБ называется каскод Коэффициент усиления по напряжению определяется преимущественно транзистором VT2, включенным с ОБ, а коэффициент усиления по току – транзистором VT1, включенном по схеме с ОЭ.

Каскодная схема обладает глубокой развязкой между входом и выходом, обусловленной неизменным нулевым потенциалом базы VT2. Каскодная схема применяется для УВЧ, т.к. обладает высокой устойчивостью. Каскодная схема на ПТ имеет более высокое входное сопротивление.

Высоким входным сопротивлением обладают также гибридные составные транзисторы с ПТ на входе.

Осуществляется от источника постоянного напряжения, которым может быть выпрямитель, аккумулятор, гальванические элементы и другие устройства. Обычно цепи коллекторов всех каскадом питают от одного источника, а подключают их параллельно.

Для устранения паразитной связи между каскадами через общий источник питания применяют дополнительные фильтры. На сравнительно низких частотах применяют RC-фильтры, а на ВЧ – LCфильтры, имеющие меньшие тепловые потери и более эффективные. Схема фильтрации может быть единой для всех каскадов или применяться отдельно для каждого каскада Часто вместо одного конденсатора применяют соединнные параллельно электролитический конденсатор большой мкости (для подавления НЧ-пульсаций) и керамический конденсатор малой мкости (для подавления ВЧ-пульсаций); это необходимо из-за того, что электролитические конденсаторы обладают значительной собственной индуктивностью.

Часто вместо применения RC-фильтра просто блокируют источник питания конденсатором большой мкости (или двумя конденсаторами как было описано выше) Часто усилительные каскады питают от двуполярных источников, т.е. цепи эмиттера и коллектора в этом случае питают от независимых источников постоянного напряжения относительно «общей точки».

В случае двуполярного питания по обеим цепям могут использоваться фильтры, описанные выше.

Транзисторные каскады можно соединить по питанию и последовательно, такая схема применяется на практике реже, чем параллельная, т.к.

при выходе из строя одного транзистора теряется работоспособность всей схемы, кроме того, требуется повышенное напряжение питания.

Тем не менее, схема последовательного питания находит применение в схемах с непосредственной связью между транзисторами.

Режим работы транзисторного каскада при отсутствии входного сигнала называют начальным режимом работы (статическим режимом, режимом по постоянному току, режимом покоя). Далее будем рассматривать схему с ОЭ. Начальный режим работы будет характеризоваться начальной рабочей точкой, лежащей на нагрузочной прямой, построенной на выходных характеристиках БПТ. т.е. зависимости.

Для установления нужной величины тока покоя выходной цепи следует между базой и эмиттером транзистора создать определнную разность потенциалов (смещение), определяемую по его статическим характеристикам. У транзисторов база должна иметь отрицательный потенциал относительно эмиттера, а у транзисторов – положительный. Величина смещения обычно составляет 0,1 – 0,5 В для германиевых транзисторов и 0,5 – 1 В для кремниевых.

Целесообразно подавать смещение на базу от источника коллекторного питания (хотя можно для этой цели воспользоваться и отдельным источником).

Различают три основных способа подачи смещения во входную цепь:

1) фиксированным током базы;

2) фиксированным напряжением база-эмиттер;

3) фиксированным током эмиттера.

Сопротивление во много раз больше сопротивления участка база-эмиттер постоянному току. При этом ток смещения, текущий через, приближнно равен ; этот ток не меняется при изменении температуры, старении транзистора или при его замене. Сопротивление, необходимое для получения заданного значения тока покоя коллектора или тока покоя эмиттера при смещении где – напряжение питания между точкой присоединения резистора и общим проводом; – статический коэффициент усиления тока транзистора для схемы с ОБ; – остаточный (неуправляемый) ток коллектора; – напряжение смещения база-эмиттер, необходимое для получения заданного тока покоя, определяемое по статическим характеристикам транзистора.

Смещение фиксированным напряжением база-эмиттер Если сопротивление делителя, равное по отношению к цепи базы параллельному соединению и, много меньше сопротивления участка база-эмиттер постоянному току, то напряжение смещения база-эмиттер практически не будет меняться при изменении температуры, старении и замене транзистора. Сопротивления и можно найти по формулам при максимальном расчтном сигнале. Остальные обозначения те же, что и в предыдущем выражении.

Сопротивле- ние бертся во много раз больше сопротивления участка эмиттер-база постоян- ному току, тогда ток через резистор (т.е. ток эмиттера) практически будет равным где – напряжеопределяется по формуле Сопротивление Отклонение тока покоя от расчтного ухудшает свойства каскада и даже может сделать каскад неработоспособным. Чрезмерное снижение тока покоя увеличивает нелинейные искажения и снижает усиление; чрезмерное увеличение тока покоя снижает КПД каскада, ведт к перегреву усилительного элемента и росту нелинейных искажений.

Отклонение тока покоя от расчтного в режиме А обычно допускают не больше 10% в каскадах мощного усиления и не больше 20% в маломощных каскадах.

В каскадах с ОБ и ОЭ выходной цепью является цепь коллектора, а в схеме с ОК – цепь эмиттера, поэтому в первых двух случаях не должен сильно меняться ток покоя коллектора, а в последнем случае – ток покоя эмиттера.

Транзисторы могут иметь большой разброс статического коэффициента усиления тока при смещением фиксированным током базы может изменить ток покоя коллектора в пять раз и больше, что недопустимо. Изменение температуры на 30-50о С также может привести к изменению токов покоя коллектора и эмиттера в несколько раз. Поэтому смещение фиксированным током базы почти не применяют.

При смещении фиксированным напряжением база-эмиттер замена транзистора и изменение температуры изменяют ток покоя выходной цепи намного меньше: не более, чем в 1,5…2 раза, что в ряде случаев допустимо. Смещение фиксированным напряжением база-эмиттер, несмотря на расход мощности в делителе, находит широкое применение.

Смещение фиксированным током эмиттера обеспечивает высокую стабильность тока покоя выходной цепи, но из-за необходимости применения дополнительного источника применяется редко.

Чаще применяют схемы стабилизации тока покоя выходной цепи (схемы стабилизации точки покоя).

Стабилизация точки покоя осуществляется параллельной ООС по напряжению, снимаемой с коллектора. К резистору приложена разность напряжения источника E и падения напряжения на. Если по каким-либо причинам ток покоя выходной цепи стремится возрасти, падение напряжения на увеличивается, при этом напряжение на уменьшается и ток смещения падает, что не дат току покоя выходной цепи сильно возрасти. При стремлении тока покоя выходной цепи уменьшиться происходит обратный процесс.

Коллекторная стабилизация удовлетворительно действует при большом падении напряжения на нагрузке (0,5 Е и выше), не слишком больших изменениях (не более, чем в 1,5-2 раза) и темо пературы (не выше 20…30 С). Для схемы с ОЭ коллекторная стабилизация снижает входное сопротивление каскада и уменьшает усиление, для устранения этого эффекта делят на две части и, между которыми и общим проводом включают блокировочный конденсатор достаточно большой мкости.

Эмиттерная стабилизация обеспечивает более высокую стабильность точки покоя, чем коллекторная, и находит наиболее широкое практическое применение. Эта схема обеспечивает работоспособность каскада при изменении транзистора в 5…10 раз и изменении его температуры на 70…100 С. Стабилизация осуществляется ООС по току, снимаемой с резистора, включенного в цепь эмиттера, а смещение обеспечивается делителем. Для устранения ОС в полосе рабочих частот, снижающей усиление, резистор обычно шунтируют конденсатором большой мкости, который фактически «закорачивает» для частот сигнала. При стремлении тока покоя выходной цепи почему-либо возрасти растт падение на ; в результате смещение база-эмиттер равное разности напряжения на и падения напряжения на уменьшается, что не дат выходному току возрасти. При стремлении выходного тока уменьшиться происходят обратные процессы. Эмиттерная стабилизация действует при любом падении напряжения на нагрузке, поэтому применима для трансформаторных каскадов, где коллекторная стабилизация непригодна. Действие эмиттерной стабилизации увеличивается с увеличением сопротивления и уменьшением сопротивления делителя Схемы межкаскадной связи служат для передачи сигнала от одного каскада многокаскадного усилителя другому, от источника сигнала на вход первого усилительного элемента и от выходной цепи последнего усилительного элемента в нагрузку. Эти схемы одновременно служат и для - подачи питающих напряжений на Электроды усилительных элементов, а также придания усилителю определенных свойств. Существуют четыре основных вида схем межкаскадной св язи: гальваническая, резисторная, трансформаторная и дроссельная. В некоторых случаях используют комбинации и видоизменения этих схем.

Схемами гальванической межкаскадной связи называют такие, в которых связь между каскадами осуществляется посредством элементов, обладающих проводимостью для сколь угодно медленных изменений тока (например, проводников, проволочных и непроволочных резисторов, стабилитронов, гальванических элементов и т. д.). Каскады с гальванической связью разделяются на каскады с прямой или непосредственной связью, в которых выходной электрод предыдущего каскада соединяется с входным электродом последующего непосредственно, а питание и смещение на них поступают через резистор и каскады с потенциометрической связью где сигнал на следующий каскад передается через потенциометр (делитель напряжения) из резисторов Основным достоинством каскадов с гальванической связью является их способность усиливать сигналы сколь угодно низкой частоты наряду с усилением средних и высоких частот; их серьезным недостатком, нарушающим нормальную работу усилителей с такими каскадами, является дрейф нуля.

К дополнительным недостаткам каскада с прямой связью принадлежит сложность обеспечения нормального режима работы усилительных элементов в многокаскадном усилителе с одним источником питания, нередко приводящая к использованию их в невыгодных условиях работы при малом коэффициенте усиления. Недостатком каскадов с потенциометрической связью являются немного пониженное усиление и необходимость наличия дополнительного источника питания.

Гальваническую связь используют в усилителях постоянного тока прямого усиления для межкаскадной связи и в качестве входного и выходного устройств, так как другие схемы связи здесь непригодны; в усилителях переменного тока из-за указанных недостатков гальваническою связь применяют сравнительно редко.

В резисторных каскадах используется резисторная (резисторно-конденсаторная) схема межкаскадной связи Резисторные каскады свободны от недостатков каскадов с гальванической связью; они не обладают дрейфом нуля, передаваемым на следующий каскад, и без затруднений позволяют обеспечить необходимые напряжения на усилительных элементах при питании многокаскадного усилителя от одного источника. Они могут усиливать сигналы в очень широкой полосе частот, потребляют малую мощность питания, нечувствительны к магнитным полям, имеют малые габариты, вес и стоимость.

Однако коэффициент усиления у резисторных каскадов ниже, чем у трансформаторных, и они мало пригодны для мощного усиления из-за очень низкого коэффициента полезного действия.

Вследствие простоты, дешевизны и хороших характеристик резисторные каскады являются наиболее употребительным типом каскада предварительного усиления. Резисторная схема связи, кроме того, широко используется в качестве входного и выходного устройств в усилителях переменного тока.

В трансформаторных каскадах для межкаскадной связи используется трансформатор, через первичную обмотку которого, включаемую в выходную цепь усилительного элемента каскада, на выходной электрод подается напряжение питания, а ко вторичной присоединяют входную цепь следующего каскада. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на вход следующего каскада.

В транзисторных трансформаторных каскадах, работающих на следующий транзистор, при последовательной подаче смещения нижний вывод вторичной обмотки трансформатора соединяют с общим проводом через блокировочный конденсатор достаточной емкости, шунтирующий цепь смещения для частот сигнала, а при параллельной подаче включают в провод базы разделительный конденсатор, так как без него смещение, подаваемое на следующий транзистор, закоротится вторичной обмоткой трансформатора.

Коэффициент усиления напряжения у трансформаторных каскадов обычно в несколько раз выше, чем у резисторных, но усиливаемая полоса частот много уже. Размеры, вес и стоимость трансформатора обычно во много раз больше размеров, веса и стоимости деталей резисторного каскада;

трансформатор чувствителен к наводкам от внешних магнитных полей. Но применение трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации позволяет создать для усилительного элемента каскада наивыгоднейшее сопротивление нагрузки и получить в последней наибольшую мощность сигнала при хорошем КПД.

Поэтому, несмотря на значительные размеры, вес и высокую стоимость, трансформаторные каскады используют для мощного усиления сигналов с неширокой полосой частот (например, звуковых); кроме того, трасформаторы нередко применяют в качестве входного и выходного устройств в усилителях переменного тока для симметрирования и согласования цепей. В целом, из-за имеющихся недостатков в настоящее время доля применяемых трансформаторных каскадов невелика.

Дроссельные каскады, как и резисторные, имеют две основные детали: дроссель цепи коллектора или анода, через который подается напряжение питания на выходной электрод, и конденсатор, через который усиленный сигнал передается на следующий каскад. Дроссельная схема связи позволяет повысить напряжение питания на усилительном элементе и получить даже более высокий КПД, чем у трансформаторного каскада. Коэффициент усиления дроссельных каскадов немного выше, чем резисторных; полоса усиливаемых частот меньше резисторных, но больше трансформаторных. По чувствительности к наводкам, габаритам, весу и стоимости они почти не отличаются от трансформаторных каскадов.

В настоящее время дроссельные каскады редко используют, так как для предварительного усиления обычно целесообразнее применять резисторные каскады, дающие практически то же усиление и пропускающие более широкую полосу частот, но имеющие меньшие размеры, вес и стоимость. Для мощного усиления дроссельные каскады оказываются лучше трансформаторных лишь при работе на сопротивление, равное наивыгоднейшему сопротивлению нагрузки выходной цепи усилительного элемента; однако в этих условиях обычно выгоднее использовать бестрансформаторные двухтактные схемы, имеющие лучшие показатели и меньшие габариты и вес.

Однотактные и двухтактные каскады. Симметричные и несимметричные входы и выходы усилительных каскадов На практике широко применяются каскады с дифференциальными (симметричными) входами и выходами. В симметричных входах и выходах ни один из сигнальных контактов не соединен с общим проводом, сам общий провод может быть выведен для подключения к линии, а может и не быть выведенным. Соответственно, симметричная линия может быть трехпроводной (общий провод и два сигнальных) и двухпроводной (только сигнальные провода), особых преимуществ трехпроводная линия не имеет, поэтому ее применяют достаточно редко. Напряжения относительно общего провода (независимо, выведен ли он физически в линию) в сигнальных проводах симметричных линий противоположны (находятся в противофазе) друг другу. Приемники таких сигналов должны иметь дифференциальный вход, который формирует и передает далее разность напряжений на проводах симметричной линии. Очевидно, дифференциальный вход подавляет синфазные (одинаковые) сигналы, но пропускает противофазные (неодинаковые) сигналы. Простейшим способом построения дифференциального входа (для переменного напряжения) является применение трансформатора с заземленным отводом от середины первичной обмотки. Применение трансформаторов ограничено из-за их низкой технологичности, больших массы и габаритов, плохих частотных характеристик (через трансформатор принципиально нельзя передать постоянное напряжение, верхняя граница рабочего частотного диапазона достаточно низкая и определяется потерями на перемагничивание в магнитопроводе), чувствительности к электромагнитным полям и т.п. Значительно лучшими характеристиками являются транзисторные каскады с дифференциальными входами, существует большое количество интегральных микросхем с дифференциальными входами (в частности, операционные и инструментальные усилители).

Описанный ранее механизм возникновения помех из-за потенциальных наводок носит синфазный характер; такие наводки будут подавляться дифференциальным входом. Полезный же сигнал имеет противофазный (еще его называют парафазный) характер и пройдут через дифференциальный вход без ослабления. Чтобы сформировать противофазный сигнал требуется соответствующее построение выходного каскада источника сигнала. Очевидным способом может быть применение симметрирующего трансформатора с заземленным отводом от середины вторичной обмотки. Как отмечалось выше, применение трансформаторов ограничивается рядом присущих им недостатков. Другой способ формирования симметричного сигнала состоит в том, что на один симметричный выход сигнал подается непосредственно, а на другой с инверсией (поворотом фазы на 180 градусов).

Таким образом, применение симметричных каскадов и линий является весьма эффективным способом подавления синфазных потенциальных помех и практически широко применяется.

Рассмотренные схемы усилительных каскадов, содержащие один или несколько параллельно включенных усилительных элементов, на вход которых подают одно входное напряжение сигнала, и с выхода которых снимают одно выходное напряжение, называют однотактными каскадами.

Транзистор и электронная лампа – трехполюсные устройства, у которых один из проводов входной цепи объединен с проводом выходной в так называемый общий провод. Потенциал сигнала на общем проводе относительно поверхности нулевого потенциала (земли) считают равным нулю, так как этот провод обычно соединяют с шасси (металлическим корпусом) прибора, имеющим относительно земли большую электрическую емкость. Поэтому входная и выходная цепи однотактных транзисторных и ламповых усилительных каскадов несимметричны относительно поверхности нулевого потенциала, т. е. однотактные транзисторные и ламповые каскады имеют несимметричные вход и выход.

Если необходимо сделать вход однотактного каскада симметричным, можно включить во входную цепь симметрирующий трансформатор с первичной обмоткой, имеющей две одинаковые половины, точка соединения которых не имеет потенциала сигнала относительно общего провода (этого можно добиться, например, соединив ее с общим проводом). Точно так же можно сделать симметричным выход однотактного каскада. Однако симметрирование цепей трансформатором из-за сравнительно узкой полосы пропускаемых им частот невозможно в широкополосном устройстве. Даже и при полосе частот, которую трансформатор может пропустить, его использование для симметрирования часто нецелесообразно вследствие больших размеров, веса и стоимости.

Симметрировать входную цепь однотактного каскада можно и другим способом, теоретически пригодным для широкой полосы частот, включив последовательно с входной цепью сопротивление Zвx, имеющее те же активную и реактивную составляющие, что и входная цепь. Этот способ используют редко, так как, кроме бесполезной потери половины мощности входного сигнала, практическое осуществление симметрии такой цепи в широкой полосе частот очень затруднительно Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента или две группы параллельно включенных усилительных элементов, работающих на общую нагрузку, ток сигнала в выходной цепи которых имеет противоположное направление, т. е. при синусоидальном сигнале сдвинут на 180°.

Простейшие двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада с объединенными общим проводом и источником питания, работающие в противофазе; эти однотактные каскады образуют плечи двухтактной схемы, симметричные относительно общего провода. Такие двухтактные каскады при использовании в них гальванической или резисторной межкаскадной связи позволяют осуществить малогабаритные и недорогие схемы с симметричными входом и выходом, имеющие очень широкую полосу рабочих частот.

Наличие одинаковых деталей в плечах двухтактной схемы позволяет многие из них объединить, а некоторые даже и исключить. Так, например, трансформаторы и дроссели плечей здесь объединяют в общий трансформатор или дроссель, поместив на общем сердечнике две одинаковые обмотки, включаемые в плечи каскада. В транзисторном каскаде с эмиттерной стабилизацией можно объединить резисторы эмиттерной стабилизации, включив один общий резистор Rb0 в общий провод эмиттеров; в ламповых каскадах с катодным смещением используют общий резистор. Следует заметить, что двухтактные каскады с общим резистором эмиттерной стабилизации не допускают установки транзисторов в плечи без подбора, так как при различии параметров транзисторов коллекторные токи плечей могут очень сильно разниться, хотя суммарный ток коллекторов будет стабилизирован.

Большинство двухтактных каскадов, кроме симметричности входа и выхода, обладает другими полезными свойствами; в них компенсируются:

1) четные гармоники, вносимые усилительными элементами;

2) помехи (в том числе и фон), поступающие на каскад от источника питания и других источников помех;

3) нечетные гармоники тока сигнала в источнике питания и идущих от него к каскаду проводах;

4) постоянное подмагничивание сердечника выходного трансформатора.

Компенсация четных гармоник позволяет использовать в двухтактных каскадах экономичные режимы, дающие большой процент четных гармоник и поэтому не всегда применимые в однотактных схемах.

Компенсация помех увеличивает динамический диапазон усилителя и повышает допустимую переменную составляющую напряжения источника питания; последнее упрощает и удешевляет сглаживающие фильтры выпрямителей, питающих двухтактные каскады.

Компенсация нечетных гармоник тока сигнала в источнике питания и его проводах снижает паразитную межкаскадную связь, что позволяет упростить и удешевить развязывающие фильтры усилителя. В самом каскаде при работе его без отсечки тока в выходной цепи это позволяет исключить блокировочные конденсаторы цепей питания, смещения и стабилизации и устраняет вносимые этими цепями частотные, фазовые и переходные искажения.

Компенсация постоянного подмагничивания сердечника выходного трансформатора позволяет повысить в нем переменную составляющую магнитной индукции, что сокращает размеры, вес и стоимость трансформатора.

Эти преимущества настолько существенны для мощных усилителей, что, несмотря на применение двух усилительных элементов и усложнение схемы, транзисторные каскады мощного усиления с выходной мощностью порядка 2 – 5 Вт и выше почти всегда делают двухтактными. В некоторых случаях, например при питании от химических источников тока, двухтактная схема мощного каскада оказывается целесообразной и при выходной мощности в доли ватта, так как ее использование позволяет применить экономичный режим В, в несколько раз сокращающий потребление питающей энергии. В ламповых усилителях каскады мощного усиления делают двухтактными обычно при выходной мощности свыше 3-ь5 вт.

Двухтактные схемы также применяют в каскадах мощного усилении широкополосных усилителей и в широкополосных выходных каскадах, работающих на симметричную нагрузку, когда использование трансформаторов невозможно из-за их ограниченной полосы пропускания.

Во входных каскадах и каскадах предварительного усиления двухтактную схему применяют лишь в тех случаях, когда это необходимо из-за ее меньшей чувствительности к помехам, симметричности и других достоинств.

Различные режимы характеризуются углом отсечки тока коллектора (стока) где – циклическая частота усиливаемого гармонического сигнала, – время протекания тока через открытый усилительный прибор.

Режим A – это такой режим, при котором ток через транзистор протекает в течение всего периода усиливаемых колебаний. При этом.

Положение рабочей точки выбирается примерно посередине проходной (или сквозной) характеристики.

Из-за большой величины тока покоя как при сигнале, так и без него КПД режима А оказывается низким ( 0,5), что и является основным недостатком этого режима. Достоинствами являются малые линейные искажения и возможность применения как в однотактных, так и в двухтактных схемах для усиления сигналов любой формы.

Режим А широко применяется в каскадах предварительного усиления, а также в выходных каскадах небольшой мощности (до 3…5 Вт). В мощных каскадах (выше нескольких Вт) режим А не применяется из-за низкого КПД.

Режим B – это такой режим работы УЭ, при котором ток в выходной цепи существует в течение половины периода сигнала. Угол отсечки в режиме B.

Рабочая точка характеризуется начальным напряжением (смещением) база-эмиттер.

При этом ток базы равен обратному току коллектора, но т.к. он мал, то практически его обычно не учитывают.

При отсутствии сигнала транзистор в режиме B заперт и ток не потребляет, что обеспечивает большой КПД (предельное значение 0,785).

Т.к. в режиме B используется и нелинейный участок проходной характеристики, то будут велики нелинейные искажения, кроме того, в выходном сигнале будут присутствовать высшие гармоники, т.к. сигнал импульсный (для учта гармоник сигнала, его следует разложить в ряд Фурье).

В однотактных каскадах режим B находит ограниченное применение. Режим B может применяться при резонансном усилении узкой полосы частот, когда нагрузкой каскада является параллельный резонансный контур, настроенный на основную частоту сигнала (1-ю гармонику) или одну из высших гармоник (при умножении частоты). В этих случаях напряжение на нагрузке оказывается практически синусоидальным, т.к. для нерезонансных частот параллельный колебательный контур имеет очень малое сопротивление. Режим B в однотактной схеме пригоден также для усиления однополярных импульсных сигналов.

В усилителях гармонических сигналов различных частот, а также в усилителях двуполярных импульсных сигналов использование режима B возможно только в двухтактных схемах, где режим B и находит наиболее широкое применение для каскадов мощного усиления с выходной мощностью более нескольких Вт; для портативных устройств с батарейным питанием применение режима B может быть эффективно и при меньшей выходной мощности.

Режим AB – промежуточный режим между режимами A и B. При этом угол отсечки Рабочая точка выбирается в самом начале линейного участка проходной характеристики. Как и режим B, режим AB целесообразно использовать в двухтактных схемах (практически обычно используется именно режим AB, а не «чистый» режим B). В двухтактных схемах искажения, получаемые за счт начальных участков характеристик, в нагрузке взаимно компенсируются.

По своим характеристикам режим AB занимает промежуточное положение между режимами A и B, т.е. искажение больше, чем в режиме A, но меньше, чем в режиме B.

Режим C характеризуется углом отсечки. Точка покоя в этом случае располагается левее точки пересечения спрямлнной динамической проходной характеристики с горизонтальной осью.

В выходном сигнале в режиме C присутствуют и чтные, и нечтные гармоники.

Использование режима C не позволяет восстановить форму исходного сигнала даже в двухтактной схеме. Однако режим C может быть использован при усилении однополярных прямоугольных импульсов.

КПД каскада в режиме C выше, чем в режиме B, и может превышать 0,8; из-за этого режим C часто применяют для резонансного усиления в мощных радиопередающих устройствах.

Режим D (ключевой режим) – это такой режим работы УЭ, при котором он во время работы находится только в двух состояниях: в полностью закрытом (ток в выходной цепи практически отсутствует) или в полностью открытом (падение напряжения между выходными электродами близко к нулю). Обычно для режима D смещение выбирают исходя из допустимого тока коллектора в «закрытом»

состоянии: если требуется малый ток, то задают большое отрицательное смещение, а если допустим сравнительно большой ток, то смещение может быть близким к нулю. Фактически каскадом в режиме D для входных импульсных сигналов может быть тот же каскад, который являлся каскадом режима C или B (а иногда даже AB и A) для входных гармонических сигналов. При этом максимальный КПД, близкий к 1, получится при большом отрицательном смещении (малом токе покоя коллектора Режим D используется для усиления прямоугольных импульсов произвольной длительности и скважности; при этом амплитуда выходных импульсов близка к напряжению источника питания и не зависит от амплитуды входных импульсов.

Для непрерывных сигналов режим D можно использовать, если предварительно исходный сигнал был каким-либо образом дискретизирован (например, посредством ШИМ, АЦП и т.п.) Режим Е – это такой режим B или AB, при котором напряжение источника питания регулируется в соответствии с уровнем входного сигнала. В случае если угол отсечки, режим называют BE, если же, то режим называют ABE. Сигналы большой амплитуды усиливаются при повышенном напряжении питания, а сигналы небольшой амплитуды – при пониженном, что обеспечивает большой коэффициент использования коллекторного напряжения ( ) и большой КПД Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности: 1) в установившемся режиме работы входной ток полевого транзистора стремится к нулю; 2) инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезаряда его входной и выходной емкостей.

Следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.

Полевые транзисторы имеют преимущество перед биполярными транзисторами в большей температурной стабильности их характеристик. Это объясняется тем, что основная температурная нестабильность характеристик биполярного транзистора обусловлена сильной зависимостью количества неосновных носителей заряда в полупроводнике. Учитывая, что полевой транзистор работает с использованием только основных носителей зарядов, которые в меньшей степени подвержены температурному влиянию, в нем отсутствует положительная обратная связь по температуре, присущая биполярным транзисторам.

Таким образом, Основными преимуществами полевого транзистора являются его большое входное сопротивление по постоянному току и высокая технологичность. Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.

5.2.3. Особенности построения усилительных каскадов различного назначения Особенности работы ПУ:

1) ПУ работает при малом, относительно линейного участка входной характеристики транзистора, размахе входного сигнала;

2) Усилительный прибор, как правило, работает в режиме А; исходное положение рабочей точки выбирается на середине линейного участка входной характеристики;

3) КПД ПУ мал (единицы %), потребляемая мощность по абсолютному значению также мала (единицы-десятки мВт) 4) Полоса пропускания ПУ должна быть не уже спектра частот, занимаемых усиливаемым сигналом.

В зависимости от нагрузки ПУ различают апериодические и резонансные усилители: первые имеют RC-нагрузку, а последние – резонансный контур или другую избирательную цепь.

Наиболее широко в качестве каскадов ПУ применяется схема усилителя на БПТ, включенном по схеме с ОЭ образуют делитель смещения, задающий исходное положение рабочей точки – цепь эмиттерной стабилизации положения рабочей точки – сопротивление источника сигнала – э.д.с. источника сигнала – входное сопротивление следующего каскада Необходимо выполнить условие где – минимальная частота усиливаемого сигнала где – крутизна усиления транзистора в выбранной рабочей точке – коэффициент частотных искажений Целью анализа является определение коэффициента усиления, АЧХ, ФЧХ и частотных искажений Для получения всех характеристик достаточно аналитически вычислить комплексный коэффициент передачи. Кроме того, интерес представляет входное и выходное сопротивление.

Представим обобщнную схему усилительного каскада – резистор в цепи коллектора транзистора (или другого усилительного элемента) – разделительный конденсатор между каскадами – сопротивление делителя в цепи базы следующего каскада на транзисторе Т.к. сами транзисторы тоже могут быть представлены эквивалентными схемами, то общая эквивалентная схема усилителя примет вид – входная проводимость первого транзистора – входная проводимость второго транзистора – активная проводимость в цепи первого транзистора – активная проводимость в цепи второго транзистора – эквивалентный генератор тока, которым замещается коллекторная цепь транзистора; – крутизна характеристики транзистора – мкость монтажа выхода каскада – мкость монтажа нагрузки – разделительный конденсатор и имеют комплексный характер где – активная проводимость транзистора – мкость транзистора – активная проводимость входной цепи транзистора – мкость входной цепи транзистора Причм С учтом этого схему можно перерисовать в виде:

Далее схему рассматривают для трх областей частот: НЧ, СЧ и ВЧ.

На НЧ следует учитывать сопротивление разделительного конденсатора; сопротивление же паразитных мкостей бесконечно большое (т.к. сами мкости малы) СЧ характеризуются практически нулевым сопротивлением разделительного конденсатора и практически бесконечным сопротивлением паразитных мкостей ВЧ характеризуются практически нулевым сопротивлением разделительного конденсатора и конечным значением сопротивления паразитных мкостей, уменьшающимся с частотой Рассмотрим СЧ здесь знак «–» показывает поворот фазы на Если частота усиливаемого сигнала много меньше частоты применяемого транзистора ( – частота, где коэффициент уменьшается до уровня 0,7), то комплексностью крутизны можно пренебречь Таким образом, на СЧ коэффициент усиления постоянен и зависит от активных проводимостей схемы, однако практически можно менять только где Согласно формуле (*), должен возрастать с увеличением (т.к. ), что показано пунктиром. Однако в реальной схеме при рост замедляется, а затем при увеличении коэффициент начинает падать (сплошная линия). Это связано с тем, что при большом на транзисторе оказывается малое напряжение, поэтому уменьшается крутизна, а с ней и коэффициент.

ФЧХ представляет собой прямую, совпадающую с осью, фазовые искажения отсутствуют.

Преобразуем источник тока в источник ЭДС или Откуда При увеличении АЧХ расширяется, а ФЧХ становится более линейной.

Коэффициент частотных искажений На нижней граничной частоте, т.е.

Для увеличения полосы пропускания в область НЧ следует увеличивать постоянную времени на НЧ Рассмотрим ВЧ где – постоянная времени усилителя на ВЧ.

Отсюда Коэффициент частотных искажений Граничная частота При уменьшении полоса пропускания расширяется, а ФЧХ становится более линейной.

Формулы для коэффициента усиления на разных частотах можно объединить АЧХ:

ФЧХ:

Входное сопротивление усилителя с ОЭ определяется сопротивлением делителя в цепи базы и параметром Выходное сопротивление усилителя с ОЭ определяется результатом параллельного. Т.к. сопротивление коллекторного перехода высоко (т.к. переход закрыт) и составляет единицы мегаом Сопротивление не может быть больше сотен кОм, а обычно ещ меньше (единицы-десятки кОм).

Поэтому выходное сопротивление усилителя Ки=Входное сопротивление усилителя с ОС без влияния шунтирующего сопротивления делителя:

Rвх=h11э(1+ ) Глубина обратной связи:

=1+ Выходное сопротивление каскада без учета влияния Rк Rвых= Для устранения противоречивых требований к стабилизации режима и допустимым уменьшениям коэффициента усиления эммитерные цепи стабилизации( ОС по постоянному току) и обратной связи(ОС по переменному току) разделяют:

В этой схеме ОС по переменному току обеспечивает резистор Rос, т.е. коэффициент усиления определяется соотношением Ки=Стабилизация режима( ОС по постоянному току) обеспечивается суммарным сопротивлением Rст=Rэ+Rос В этой схеме обратная связь( по переменному току) создается и резистором R3, и резистором R4 (их параллельным соединением), а стабилизация (ОС по постоянному току) задается только резистором Эта схема пригодна для создания неглубокой корректирующей ООС, при условии R3>>R4, а также для создания частотно-зависимой ООС при сопротивлениях резистора R4 и конденсатора Сэ н рабочих частотах одного порядка.

Глубина ОС:

=1+ Коэффициенты усиления по току Kioc= Rвх ос= Rвых ос= Коэффициент усиления по напряжению при данном виде ОС не изменяется.

Схема с ОБ Делители R1, R2 задают положение точки покоя; Rэ, Сэ – цепь стабилизации точки покоя (Сэ шунтирует Rэ для устранения ОС по переменному току в целях предотвращения уменьшения коэффициента усиления). Индуктивность Lдр повышает сопротивление цепи эмиттера переменному току и уменьшает ее влияние на выходное сопротивление каскада, одновременно Lдр является элементом частотнозависимой ООС. Конденсатор Сбл блокирует(замыкает) базу транзистора по переменному току на общий провод, что и обеспечивает работу транзистора по схеме с ОБ.

Rвхh11б При отсутствии Сэ Rвх= В любом случае Rвх остается низким и не превышает сотен Ом.

Rвых= Rвых достигает сотен кОм.

И Rвх и Rвых с увеличением частоты уменьшаются.

Сквозной коэффициент усиления по напряжению Кс= Коэффициент усиления по току Каскад с ОБ не изменяет фазу сигнала при любых изменениях нагрузки, поэтому ООС вплоть до граничных частот транзистора не превращается в ПОС, что обеспечивает высокую устойчивость каскада с ОБ. Каскады с ОБ применяют для усилителей В4.

В этой схеме Rн является незаземленной.

Эмиттерным повторителем называют каскад, построенный на БПТ, включенном по схеме с ОК.

В этой схеме напряжение на эмиттере отличается от напряжения на базе на величину падения напряжения на открытом p-n переходе (0,6 В), то есть UвыхUвх Эмиттерный повторитель является усилителем с последовательной ООС по напряжению, причем глубина ООС – велика.

Входное сопротивление ЭП высокое и пропорционально нагрузке в цепи эмиттера Rвх=(h21э+1) Rвх может быть равным десяткам-сотням кОм.

Выходное сопротивление ЭП мало Rвых= Rвых может быть равным единицам Ом и ниже.

Формулы для Rвх и Rвых можно обобщить для импедансов Zвх и Zвых.

Zвх=(h21э+1) Zнагр Zвых= Кi >> Фазы входного и выходного напряжений совпадают.

ЭП широко используются в качестве входных каскадов с высоким входным сопротивлением, в качестве выходных каскадов с низким выходным сопротивлением (например, ЭП может выполнять роль оконечного УМ), в качестве буферных каскадов для согласования участков схемы с высоким выходным сопротивлением и низким входным, т.е. для «развязки» – устранения шунтирования источника сигнала (с высоким входным сопротивлением) нагрузкой (с низким сопротивлением).

Следует отметить, что еще большим входным сопротивлением обладают истоковые повторители – каскады, построенные на ПТ по схеме с ОС.

В остальном свойства ЭП и ИП аналогичны.

Если ЭП должен работать с разнополярным сигналом, то можно обеспечить начальное смещение точки покоя транзистора с помощью делителя напряжения в цепи базы и воспользоваться разделительными конденсаторами В этом случае входное сопротивление каскада будет шунтировано сопротивлением делителя, что приводит к уменьшению входного сопротивления.

Можно осуществить питание ЭП двуполярным источником напряжения, что также позволит работать с двуполярными сигналами Максимальное выходное напряжение будет при открытом транзисторе и составит Uвых max+Eп-0,2 В Минимальное выходное напряжение будет при закрытом транзисторе Uвых minСледует учитывать, что Uвых max> Uвых min, т.е. при симметричном питании минимальное возможное отрицательное выходное напряжение будет меньше по модулю, чем максимально возможное положительное выходное напряжение.

Сопротивление необходимо для обеспечения цепи для постоянного тока базы; величина выбирается из условия 0,1 h21э В этой схеме также шунтирует входное сопротивление ЭП, приводя к его уменьшению (в меньшей степени, чем в предыдущем случае с делителем) Для увеличения входного сопротивления ЭП могут применяться более сложные схемы:

Смещение от делителя R1, R2 подается на базу через добавочное сопротивление Rд, а точка подключения Rд к делителю соединяется через разделительный конденсатор Ср с эмиттером.

Входная цепь шунтируется не сопротивлением делителя, как в обычном повторителе, а сопротивлением Rд, а т.к., то эта величина оказывается большой. Однако схема с компенсацией не изменяет входное сопротивление самого транзистора, она лишь устраняет шунтирующее действие делителя смещения, не ухудшая стабильности положения точки покоя. Величины Rд и Ср выбираются по формулам Rд=(0,2…0,3) Ср=(3…10) Двухкаскадная схема с высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью Сигнал с ЭП на VT1 поступает через конденсатор С на второй каскад. В коллектор VT1 включен резистор, нижний конец которого через разделительный конденсатор Ср большой емкости соединен с эмиттером VT2. Между базой и коллектором VT1 приложено напряжение (а не ), что в раз уменьшает активную составляющую проводимости коллектор-база и емкость коллекторбаза VT1. Смещение базы VT1 задается резистором коллекторной стабилизации (чтобы не шунтировать вход каскада сопротивлением делителя). Схема позволяет получить входное сопротивление на НЧ равное единицам мегаом и входную емкость меньше пикофарад.

Схема с повышенным усилением тока предыдущего каскада Из-за высокого Rвх ЭП на VT почти весь ток сигнала цепи коллектора VTпр идет через резистор Rк в цепи коллектора, что сильно снижает коэффициент усиления тока каскада на VTпр. Rк можно разделить на две примерно равные части R’к и R’’к подключив точку их соединения через разделительный конденсатор Ср к эмиттеру VT. Емкость Ср определяют по формуле Широко применяется в микросхемах.

Транзистор VT2 со стабилизирующим резистором Rэ является эмиттерной нагрузкой VT1. Сопротивление перехода эмиттер-коллектор VT2 постоянному току мало, а переменному току – велико. Глубина ОС по переменному току большая, поэтому большим будет и входное сопротивление каскада.

где входное сопротивление ЭП на VT3.

В этой схеме коллекторный ток увеличивается от VT1 к VT3 (т.е. VT3 должен быть более мощным);

при применении однотипных транзисторов коллекторные токи следует стабилизировать резисторами R4, R3, но это снижает входное сопротивление.

При проектировании ЭП следует учитывать, что в случае с емкостной нагрузки и импульсных сигналов на переходе Б-Э транзистора будут наблюдаться всплески напряжения, которые могут превысить допустимые для транзистора. Эти выбросы обусловлены невозможностью мгновенного изменения напряжения на емкости.

Зарядка конденсатора происходит с постоянной времени з=rэ*Сн, где rэ – собственное сопротивление эмиттера.

Разрядка конденсатора происходит с постоянной времени р=Rн*Сн Эта же причина приводит к увеличению длительности фронта и среза импульса на входе каскада.

Источники тока применяют для обеспечения смещения транзисторов, кроме того, их применяют в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления, в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока применяют в интеграторах, генераторах пилообразного напряжения и других устройствах. Кроме электроники, источники тока применяют при электролизе, при нанесении гальванических покрытий, в медицинских приборах и т.п.

Простейшим источником тока может быть источник напряжения с резистором.